В. Г. Фокин Когерентные оптические сети
 Скачать 13.92 Mb.
|
|
1.1. Основные определения оптических систем передачи и оптических сетей. Структурные схемы ВОСП Под системой передачи принято понимать комплекс технических средств, обеспечивающих образование линейного тракта, типовых групповых трактов и каналов передачи первичной сети. На рис. 1.1 представлена предельно упро- щенная схема оптической системы передачи. В ее структуре выделяются: среда передачи; секция передачи с промежуточной станцией (ПС); оптический тракт; секция мультиплексирования; тракты и каналы передачи информации пользо- вателей. При этом линейным трактом называют комплекс технических средств, обеспечивающих передачу сигналов электросвязи в полосе частот или со ско- ростью соответствующей данной системе передачи. В зависимости от среды распространения линейный тракт называют кабельным (волоконно-оптическим, электрическим), радиорелейным (оптическим или радиочастотным), спутнико- вым или комбинированным, а по типу системы передачи – аналоговым или цифровым. Согласование между электронным оборудованием и оптической средой передачи в оптической системе обеспечивают оптические конверторы (ОК), ко- торые также называют медиаконверторами. Промежуточные станции в оптиче- ском линейном тракте могут быть представлены как оптическими устройства- ми, например, оптическими усилителями сигналов, так и комплексными изде- лиями с ОК и электронными схемами усилителей и регенераторов оптических сигналов. В терминальных станциях (ТС), которые, как правило, размещаются в сетевых узлах или сетевых станциях, создаются аппаратными и программными средствами групповые тракты и каналы передачи информации пользователей. При этом в составе группового тракта может находиться от одного до несколь- ких десятков и сотен каналов пользователей. Групповые тракты и каналы объ- единяются в секции мультиплексирования в сигнал оптического тракта. Такие сигналы также называются агрегированными (сборными), т. к. к ним добавля- ются служебные каналы с целью поддержки технической эксплуатации среды передачи, промежуточных станций, оповещения терминальных станций и слу- жебной связи. Тракт групповой представляет собой комплекс технических средств, пред- назначенный для передачи сигналов электросвязи нормализованного числа кана- лов, например, тональной частоты (КТЧ) или основных цифровых каналов (ОЦК), в полосе частот или со скоростью передачи, соответствующей данному групповому тракту. В зависимости от нормализованного числа каналов группо- вой тракт называют первичным, вторичным, третичным, четверичным или N-ым. В системах передачи под каналом передачи принято понимать комплекс техни- ческих средств и среды распространения, обеспечивающий передачу сигналов электросвязи в определенной полосе частот (например, оптический спектраль- ный канал с полосой 50 ГГц) или с определенной скоростью передачи (напри- 13 мер, ОЦК 64 кбит/с) между сетевыми станциями, сетевыми узлами или между сетевой станцией и сетевым узлом, а также между сетевой станцией или сете- вым узлом и оконечным устройством первичной сети. Каналы подразделяются на аналоговые и цифровые. Рис. 1.1. Структурная схема оптической системы передачи Для их согласования применяются аналогово-цифровые и цифро- аналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП) в цифровых системах, модемы с ко- дерами и декодерами в аналоговых системах, к которым относят системы ВОСП-WDM. Например, в зависимости от скорости передачи сигналов элек- тросвязи цифровой канал называют основным (ОЦК), первичным (ПЦК, 2048 кбит/с), вторичным (ВЦК, 8448 кбит/с), третичным (ТЦК, 34368 кбит/с), четверичным (ЧЦК, 139264 кбит/с) и т. д. Канал может предоставляться раз- личным пользователям по их запросам через средства коммутации, например, АТС или оптический кросс-коммутатор с транспондерным блоком, или закреп- ляться за пользователями на какой-либо временной период (аренда). Совокупность линейных трактов систем передачи и (или) типовых физиче- ских цепей, имеющих общие линейные сооружения, устройства их обслужива- ния и одну и ту же среду распространения в пределах действия устройств обслуживания называют линией передачи. В зависимости от первичной сети, к которой принадлежит линия передачи, ее называют: магистральной, внутризо- новой, местной. Сеть первичная – совокупность типовых физических цепей, типовых кана- лов передачи и сетевых трактов, образованная на базе сетевых узлов, сетевых станций, оконечных устройств первичной сети и соединяющих их линий пере- дачи. 14 Цифровые волоконно-оптические системы передачи и оптические системы со спектральным уплотнением (WDM) являются основой для построения транспортной сети связи Российской Федерации. Транспортная сеть – рассматривается как совокупность ресурсов систем передачи (каналов, трактов, секций), относящихся к ним средств контроля, опе- ративного переключения, резервирования и управления, предназначенных для переноса информации между заданными пунктами. Составной частью транс- портной сети являются сети синхронизации и управления. Транспортные сети (по существу это первичные сети) строятся преимущественно на основе воло- конно-оптических систем передачи. Ниже, на рис. 1.2 и 1.3 представлены общие структуры оптического кон- вертора и промежуточных станций. Рис. 1.2. Структура оптического конвертора Структура ОК содержит три самостоятельных модуля: модуль оптического передатчика (верхний на рисунке); модуль оптического приемника (нижний на рисунке); модуль схем электропитания, управления и сигнализации. В модуле передачи выделены три основные блока: согласующее устрой- ство передачи СУпер.; формирователь линейного сигнала (ФЛС); модуль излу- чателя и модулятора. СУпер. в цифровых системах предназначено для преобра- зования информационного сигнала (ИС) из параллельной формы представления (8–16 разрядной шины микропроцессора), получаемой от цифрового оборудо- вания мультиплексора, в последовательную побитовую форму, согласованную тактами синхросигнала. ФЛС преобразует последовательность информацион- ных бит в сигнал для модуляции оптического излучения. При этом в сигнале гарантируется сохранение тактов, которые необходимы для синхронизации приемника цифровых данных. Излучатель оптического передатчика формирует, как правило, когерентное узкополосное излучение определенной длины волны и мощности, т. е. оптическую несущую частоту. В модуляторе производится управление мощностью излучения или фазами оптических импульсов. Сфор- 15 мированный оптический сигнал направляется в среду передачи Опер. (стекло- волокно, пластиковое волокно или в воздушную атмосферу). Приемный оптический модуль представлен четырьмя блоками с функция- ми, которые обратны функциям блоков модуля передачи. Оптический сигнал, прошедший через оптическую среду, поступает на вход приемного модуля (Опр.). При этом сигнал, как правило, многократно ослаблен, искажен и содержит помеховые компоненты (аддитивные и мульти- пликативные шумы различного происхождения: шумы оптического передатчи- ка, квантовый шум оптических усилителей, шумы от нелинейных эффектов в волоконной линии). Фотодетектор (ФД) преобразует оптическое излучение в электрический ток, а предварительный электрический усилитель увеличивает амплитуду детектированного сигнала вместе с помехами. Этот усилитель вы- полняется на основе малошумящих компонент и имеет коэффициент усиления всего в несколько десятков раз, что способствует минимальному добавлению помех приемника к принятому сигналу. С помощью корректора (К) устраняют- ся внеполосные помехи и частично корректируются линейные искажения сиг- нала, вызванные, как правило, дисперсией в волокне, что способствует в целом поддержанию определенного соотношения сигнал/шум на выходе усилителя мощности (УМ). Регенератором сигнала восстанавливаются такты импульсов линейного сигнала и временные позиции этих импульсов, т. е. фронт и срез. Выделенный в РС синхросигнал обеспечивает синхронное преобразование сиг- нала из линейного в сигнал шинной (параллельной) структуры и его передачи в цифровое оборудование мультиплексора. Модуль электропитания, управления и сигнализации, являясь вспомога- тельным, позволяет поддерживать исправными функции оптической передачи и приема, сигнализировать о неисправностях, производить оперативную диагно- стику, блокировку передатчика в случае повреждения, сообщать о понижении уровня сигнала на входе оптического приемника и т. д. Промежуточные станции оптической системы могут быть представлены оптическими усилителями, которые увеличивают мощность оптических сигна- лов, передаваемых как на одной оптической несущей, так и на многих раздель- ных по спектру несущих частотах. При использовании промежуточной станции в качестве регенератора она оснащается парой ОК, что необходимо для опто- электронного и электрооптического преобразования восстанавливаемого сигна- ла, который передается на одной оптической несущей частоте. Учитывая, что в современных оптических системах передачи преимуще- ственно используется волоконно-оптический кабель с кварцевыми волокнами, имеющими широкую полосу пропускания сигналов (примерно от 5 ТГц до 60 ТГц), а скорости цифровых систем передачи достигли только величин в 100 Гбит/с, актуальным является использования принципа спектрального уплотнения волокон. При этом в одном волокне, но чаще в паре волокон, можно организовать передачу одновременно десятков и сотен отдельных цифровых сигналов на отдельных оптических несущих частотах (рис. 1.4). 16 Рис. 1.3. Виды промежуточных станций оптической системы передачи в обозначениях Организуемые таким образом отдельные оптические каналы (часто обо- значаемые символом λ) можно группировать в оптических секциях мульти- плексирования, обеспечивать оптическими средствами доступ к отдельным ка- налам, т. е. оптическим мультиплексором выделения/ввода OADM, что, есте- ственно, делает оптические системы более гибкими и производительными для потребителей ресурсов этих систем. Так, цифровые мультиплексоры (DMX) могут быть представлены различными технологиями мультиплексирования па- кетов и циклов. В транспондерах (TPD) производится перенос оптических сиг- налов мультиплексоров DMX в сигналы оптической системы с разделением по длине волны WDM, т. е. на отдельные λ, где за каждым TPD закрепляется одна длина волны λ i из набора волн, как правило, стандартизированных ITU-T. Рис. 1.4. Структура многоканальной оптической системы передачи WDM Помимо стандартизации частот оптических каналов, в системах передачи стандартизированы и точки взаимодействия между отдельными компонентами систем (на рис. 1.1 и 1.4 обозначены светлыми и темными точками) – интер- фейсы, которые подразделяются на оптические и электрические. В этих точках 17 нормируются физические и логические (протокольные) характеристики взаи- модействия, например, тип волоконного световода, величина затухания и дис- персии, протокол передачи (OTH, SDH, Ethernet, TP-MPLS) и т. д. В современных оптических системах передачи реализуются различные технологии мультиплексирования, которые можно определить как цифровые и аналоговые. К аналоговым относятся технологии мультиплексирования оптиче- ских волн WDM и аналоговых каналов с частотным разделением (ЧРК), приме- рами которых можно считать телевизионные каналы, распределенные в спектре частот от 40 МГц до 860 МГц для сетей кабельного телевидения. В семействе цифровых технологий мультиплексирования существуют подразделения по циклической и пакетным передачам. Цифровые сигналы с циклической переда- чей имеют различные иерархии (рис. 1.5): – плезиохронная цифровая иерархия ПЦИ-PDH (Plesiochronous Digital Hierarchy); Рис. 1.5. Технологии мультиплексирования и скорости передачи в оптических системах – синхронная цифровая иерархия СЦИ-SDH (Synchronous Digital Hierarchy); – оптическая транспортная иерархия ОТИ-ОТН (Optical Transport Hierarchy), предназначенная для построения оптических транспортных сетей ОТС-OTN (Optical Transport Network). Иерархичность связана со скоростными режимами, длительностями циклов и их структурами. Ключевым понятием в этих иерархиях является вид мультиплексирования: плезиохронный, синхрон- ный, оптический, где последний указывает на сочетание электрического и оптического мультиплексирования. Цифровые сигналы с пакетной передачей формируются изначально в виде пакетов с фиксированной емкостью асинхронного режима передачи ATM (Asynchronous Transfer Mode) в 53 байта или с изменяемой (переменной) емко- 18 стью Ethernet от 64 до 1500 байт. Формирование пакетов, как правило, увязано с необходимостью переноса информационного трафика, т. е. когда есть трафик тогда и формируются пакеты. Учитывая, что трафик случаен, то и появление пакетов для передачи также случайно. По этой причине используется статисти- ческое мультиплексирование с выстраиванием очереди на передачу с вполне определенной скоростью, например для Ethernet, 10 Мбит/с, 100 Мбит/с, 1000 Мбит/с и т. д. Для эффективного использования каналов и трактов оптических систем передачи предусмотрены алгоритмы совмещения различных технологий муль- типлексирования, например, циклы PDH могут размещаться в структурах SDH и Ethernet, а пакеты Ethernet на скоростях до 100 Гбит/с могут размещаться в циклах OTH и т. д. В одноканальных ВОСП и многоканальных ВОСП-WDM возможно использование некогерентного и когерентного принципов передачи. Как прави- ло, некогерентная передача сигналов используется в оптических каналах на скорости до 10 Гбит/с с прямой или внешней модуляцией оптического излуче- ния одномодового лазера и прямым детектированием линейного оптического сигнала на приеме относительно простым фотоприемным устройством c тран- симпедансным усилителем (ТИУ) (рис. 1.6). При этом для увеличения дально- сти передачи оптических сигналов в волоконной линии используются оптиче- ские усилители, например, волоконные эрбиевые EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifier). Рис. 1.6. Структурная схема ВОСП некогерентного типа В структуре ВОСП когерентного типа (рис. 1.7) принципиальные отличия заключены в структуре передатчика и приемника при сохранении аналогичных функций линейного тракта с оптическим усилением. В передатчике вместо мо- дуляции интенсивности оптического излучения лазера применена модуляция фазы излучаемых оптических импульсов специально закодированным цифро- вым сигналом, который позволяет при определенных видах кодирования огра- ничить полосу частот оптического модулированного сигнала, что позволяет наращивать скорость передачи информационных сигналов на оптической волне λ, 19 не заботясь об изменении интервала между соседними λ и компенсации дис- персионных искажений. Кроме того, выбор кодирования может понизить или вообще исключить из спектра модулированного сигнала оптическую несущую, что снизит общую интенсивность всех λ в стекловолокне и тем самым умень- шит или исключит из спектра продукты нелинейных эффектов (четырехволно- вого смешивания, фазовой самомодуляции, рамановского и брюэлленовского рассеяния) стекловолокна. Продукты нелинейности вместе с шумами спонтан- ной эмиссии EDFA накапливаются в протяженных линиях и увеличивают веро- ятность ошибок при декодировании цифрового сигнала. Уменьшение продук- тов нелинейности и ограничение полосы частот модулированного сигнала поз- воляют строить более протяженные оптические линии без промежуточных станций. Однако наибольший эффект для увеличения протяженности оптиче- ской передачи дает когерентный прием. Для его реализации на приемной сто- роне системы передачи используется дополнительный оптический генератор – гетеродин, что позволяет существенно повысить чувствительность приемника и тем самым увеличить энергетический потенциал системы в целом. Рис. 1.7. Структурная схема ВОСП когерентного типа При этом под энергетическим потенциалом понимают разность между максимальным уровнем мощности вводимого в волокно оптического модули- рованного излучения и минимальным уровнем мощности этого излучения на входе фотодетектора, при котором сохраняется заданная вероятность ошибки декодируемого цифрового сигнала. Вероятность ошибки зависит от соотноше- ния сигнал/шум. Чем больше секций передачи с усилителями, тем меньше это соотношение. В чем состоят преимущества когерентных систем? Как усложнение обору- дования передатчиков и приемников сказывается на качестве передачи инфор- мационных сообщений? Какие применяются критерии оценки когерентных и некогерентных систем для сравнительного анализа? На эти и ряд других важ- ных вопросов содержатся ответы в последующих разделах. 20 1.2. Преимущества когерентных ВОСП Принципы построения когерентных ВОСП начали разрабатываться доста- точно давно, т. е. с появлением когерентных источников излучения – лазеров (начало 60-х гг. XX в.). Однако практическая реализация когерентных систем на коммерческих сетях связи началась только во втором десятилетии XXI в., что обу- словлено рядом факторов: сложность схем передатчиков и приемников потребо- вали создания специальных технологий планарной оптики PLC (Planar Lightwave Circuit) для оптических фильтров, компенсаторов дисперсии, модуляторов, смеси- телей, циркуляторов, коммутаторов и т. д.; необходимость применения быстро- действующих электронных процессоров и узкополосных перестраиваемых высо- костабильных лазеров (стабильная частота, полоса спектра, мощность и поляриза- ция); высокочувствительных малошумных и широкополосных фотодетекторов; высокая стоимость компонентной базы и т. д. Только тогда, когда преимущества когерентной передачи стали преобладать перед проблемами некогерентной пере- дачи по совокупным затратам и появились эффективные технологии для реализа- ции началось массовое применение когерентных систем в оптических транспорт- ных сетях. В чем состоят эти преимущества? Преимущества в теории когерентной оптической передачи достаточно наглядно представлены в [1]. Комбинированное (суммарное) оптическое поле сигнала и оптического ге- теродина F(t) на единицу поверхности фотодетектора, называемое интенсивно- стью I(t), имеет вид I(t) = |F(t)| 2 =| a c (t)| 2 + |a 0 | 2 + 2|a c (t)||a 0 |cos[(ω 0 – ω c )t + φ 0 – φ c (t)], (1.1) где a c (t) – амплитуда поля сигнальной составляющей, a 0 – амплитуда поля гете- родина, ω 0 – частота гетеродина, ω c – частота сигнала, φ 0 – фаза гетеродина, φ c (t) – фаза сигнала. В случае разности |ω 0 – ω c | > 0 образуется промежуточная частота, например, из радиочастотного спектра. Такой прием оптического сиг- нала получил название «гетеродинный». В случае разности |ω 0 – ω c | = 0 остается амплитудная составляющая, которая соответствует информационному сигналу, усиленному на величину амплитудной составляющей гетеродина. Такой прием оптического сигнала получил название «гомодинный». При этом информаци- онное сообщение может быть закодировано в амплитудной составляющей и/или фазовой составляющей оптического излучения. Опуская постоянный множитель, пропорциональный площади фотодетек- тора, учитывая соотношение между выходным током фотодетектора i ф (t) и мощностью оптического сигнала P(t) (параметр чувствительности S[А/Вт]) I = S × P = (ηe/hf) × P, (1.2) выходной ток фотодетектора с учетом коэффициента умножения G (для лавин- ного фотодиода) можно представить в виде i ф (t) = G × S{P c + P 0 + 2(P c × P 0 ) 0,5 cos[(ω 0 – ω c )t + φ 0 – φ c (t)]}. (1.3) 21 В соотношениях 1.2 и 1.3 приведены обозначения: η – квантовая эффек- тивность фотодетектора; е – заряд электрона; h – постоянная Планка; f – линей- ная оптическая частота; P c – мощность информационного сигнала; P 0 – мощ- ность гетеродинного излучения. Если использовать гетеродинный прием (|ω 0 – ω c | > 0), тогда на выходе фо- топриемного устройства устанавливается полосовой фильтр, настроенный на промежуточную частоту (ПЧ), и имеющий полосу пропускания для информа- ционного сигнала. В этом случае мгновенное значение тока промежуточной ча- стоты (переменная составляющая, т. к. постоянные составляющие отсекаются фильтром) будет равно I пч (t) = Аcos[2πf пч t + φ 0 – φ c (t)], (1.4) где А = 2G × S(P 0 × P c ) 0,5 , т. о. сигнальный ток ПЧ зависит от амплитуды, часто- ты и фазы несущей. Поэтому если любой из этих параметров модулируется информационным сигналом, то для демодуляции сигнала может быть исполь- зован любой хорошо известный метод радиоприема. Если использовать гомодинный прием, то потребуется настроить частоты излучателей для выполнения равенства (|ω 0 – ω c | = 0) и синхронизировать фазы. Демодулированный сигнал в этом случае будет иметь на выходе фотопри- емного устройства спектр, который сдвинут в область низких частот (область информационного сигнала). Фототок на выходе фотодетектора определяется выражением i ф (t) = G × S{P c + P 0 + 2(P c × P 0 ) 0,5 cos[φ 0 – φ c (t)]}. (1.5) Если пренебречь постоянной составляющей, то на выходе фильтра низких частот будет получен сигнальный ток i с (t) = 2G × S(P c × P 0 ) 0,5 cos[φ 0 – φ c (t)] = Аcos[φ 0 – φ c (t)]. (1.6) Таким образом при гомодинном приеме можно модулировать амплитуд- ную составляющую, например, импульсной двоичной последовательностью со случайно чередующимися «1» и «0» ASK (Amplitude-shift Keying) при условии φ 0 = φ c и также фазовую составляющую φ c (π, π/2, π/4 и т. д.), например, той же двоичной последовательностью PSK (Phase-shift Keying) при φ c = 0 или ее фик- сированном значении. Также возможна комплексная амплитудно-фазовая мо- дуляция. При гетеродинном приеме также возможна частотная модуляция импульсными посылками FSK (Frequence-shift Keying) (рис. 1.8). 22 Рис. 1.8. Примеры форматов оптической модуляции При когерентном приеме выигрыш перед прямым детектированием заклю- чается в множителе P 0 , который позволяет в много раз увеличить величину фо- тотока, т. е. повысить энергетический потенциал системы (рис. 1.9) [6, 8]. Как видно из рисунка, числовая оценка выигрыша от применения когерентного приема базируется на соотношении сигнала к помехам SNR (Signal Noise Ratio). Рис. 1.9. Оценка выигрыша когерентного приема в оптической системе при заданных значениях отношения сигнал/шум (SNR) Составляющие шумов в оптическом приемнике часто выражают в виде эквивалентных усредненных входных шумовых токов: дробовый шум полезно- го сигнала (i с 2 ); дробовый шум фонового излучения (i ф 2 ); дробовый шум темно- вого тока (i темнов 2 ); дробовый шум излучения гетеродина (i 0 2 ); тепловой шум 23 электронный цепей (i т 2 ). В когерентных приемниках при гомодинном и гетеро- динном приеме заметным источником шумов являются так называемые лазер- ные фазовые шумы, обусловленные флуктуацией фазы излучения когерентного источника. Эти флуктуации тем меньше, чем меньше ширина спектра излуче- ния лазера (в реальных системах от единиц кГц до десятков МГц) [7, 8]. Полная дисперсия эквивалентных шумовых токов без учета фазовых шу- мов равняется при приеме единичной посылки сигнала: |